Νόμοι του φωτοηλεκτρικού φαινομένου

Η εκπομπή ηλεκτρονίων όταν προσπίπτουν υπεριώδεις ακτίνες ή ακτίνες φωτός στο υλικό είναι γνωστή ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια είναι γνωστά ως φωτοηλεκτρόνια. Η διαδικασία εκπομπής ηλεκτρονίων είναι γνωστή ως φωτοηλεκτρική εκπομπή. Με τα χρόνια, οι επιστήμονες μελέτησαν τη διαδικασία και κατέληξαν σε ορισμένα συμπεράσματα γνωστά ως «Νόμοι του φωτοηλεκτρικού φαινομένου».

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο έχει βοηθήσει στην ανάπτυξη διαφόρων τεχνολογιών. Για παράδειγμα, έχει παίξει ουσιαστικό ρόλο στην ανάπτυξη ηλιακών συλλεκτών για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Επιπλέον, οι νόμοι του φωτοηλεκτρικού φαινομένου μας βοηθούν να κατανοήσουμε τη φωτοηλεκτρική εκπομπή. Το φαινόμενο ήταν σημαντικό στην ανάπτυξη της σύγχρονης φυσικής και έχει βρει τεράστιες εφαρμογές.

Ιστορικό

Το 1887, ο Γερμανός φυσικός Heinrich Rudolf Hertz ανακάλυψε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Κατά τη διάρκεια της εργασίας του στα ραδιοκύματα, ο Hertz παρατήρησε όταν το υπεριώδες φως λάμπει σε δύο φορτισμένα μεταλλικά ηλεκτρόδια, το φως αλλάζει την τάση στην οποία εμφανίζεται ο σπινθήρας.

Το 1902, ο Γερμανός φυσικός Philipp Lenard διευκρίνισε περαιτέρω το φως και τον ηλεκτρισμό. Παρατήρησε ότι μια μεταλλική επιφάνεια στον φωτισμό ελευθερώνει ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια ανακαλύφθηκαν το 1897 από τον Βρετανό φυσικό Τζόζεφ Τζον. Σύμφωνα με αυτόν, τα σωματίδια είναι πανομοιότυπα με τα ηλεκτρόνια.

Πολλοί επιστήμονες παρατήρησαν πειραματικά το αποτέλεσμα. Μερικές παρατηρήσεις έδειξαν μια αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης που η κλασική φυσική δεν μπορεί να εξηγήσει.

Μια άλλη ανεξήγητη παρατήρηση ήταν η σχέση μεταξύ της μέγιστης κινητικής ενέργειας των απελευθερωμένων ηλεκτρονίων και της έντασης του φωτός. Σύμφωνα με τη θεωρία των κυμάτων, η κινητική ενέργεια ήταν ανάλογη με τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός.

Μετά τη διεξαγωγή διαφορετικών πειραμάτων, οι επιστήμονες περιέγραψαν συγκεκριμένες πειραματικές παρατηρήσεις. Στη συνέχεια συνδύασαν τις παρατηρήσεις και απαρίθμησαν τους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Πειραματικές Παρατηρήσεις

1. Η συχνότητα κατωφλίου είναι μια συγκεκριμένη ελάχιστη συχνότητα πάνω από την οποία εμφανίζεται το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο για ένα δεδομένο μέταλλο.
2. Αυξάνοντας τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός, αυξάνεται η μέγιστη κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων. Ωστόσο, ο αριθμός των προσπίπτων φωτονίων παραμένει σταθερός.
3. Όταν τα φωτοηλεκτρόνια ξεπεράσουν τη συχνότητα κατωφλίου, η μέγιστη κινητική τους ενέργεια εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός. Η ένταση του προσπίπτοντος φωτός δεν ελέγχει την κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων.
4. Ο ρυθμός εκπομπής των φωτοηλεκτρονίων είναι ευθέως ανάλογος με την ένταση του προσπίπτοντος φωτός για ένα δεδομένο μέταλλο και μια συγκεκριμένη συχνότητα φωτός. Έτσι, αυξάνοντας το μέγεθος του φωτός, αυξάνεται η τιμή του φωτοηλεκτρικού ρεύματος.
5. Η χρονική καθυστέρηση μεταξύ της πρόσπτωσης των φωτονίων και της ακτινοβολίας του φωτοηλεκτρικού φαινομένου είναι ελάχιστη, σχεδόν 10-9 δευτερόλεπτα.

Νόμοι του φωτοηλεκτρικού φαινομένου

Οι νόμοι του φωτοηλεκτρικού φαινομένου είναι οι εξής:

1. Μια ουσία δεν εκπέμπει ηλεκτρόνια πέρα ​​από τη συχνότητα της τιμής αποκοπής.
2. Ο αριθμός των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων είναι ευθέως ανάλογος με την ένταση του προσπίπτοντος φωτός.
3. Η κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων εξαρτάται από τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός στην ουσία.
4. Δεν παρατηρείται χρονική καθυστέρηση μεταξύ της πρόσπτωσης φωτός και της εκπομπής ηλεκτρονίων.

Ιδιότητες του φωτονίου

Για να κατανοήσει κανείς το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, πρέπει επίσης να γνωρίζει τις ιδιότητες των φωτονίων. Αυτά είναι: 

• Οι κβαντικοί αριθμοί είναι μηδέν για τα φωτόνια.
• Ένα φωτόνιο δεν έχει μάζα.
• Το μαγνητικό και το ηλεκτρικό πεδίο δεν επηρεάζει ένα φωτόνιο.
• Η ταχύτητα ενός φωτονίου είναι ευθέως ανάλογη με την ταχύτητα του φωτός στο διάστημα.
• Όταν μια ύλη αλληλεπιδρά με την ακτινοβολία, η ακτινοβολία συμπεριφέρεται ως μικροσκοπικά σωματίδια που ονομάζονται φωτόνια.
• Τα φωτόνια είναι εικονικά σωματίδια. Η ενέργεια του φωτονίου είναι ευθέως ανάλογη της συχνότητάς του.
• Η ενέργεια του φωτονίου είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος κύματός του.
• Η εξίσωση που συσχετίζει την ορμή και την ενέργεια των φωτονίων είναι

E =p x c

όπου

p =μέγεθος της ορμής

c =ταχύτητα φωτός.

Έτσι, οι νόμοι του φωτοηλεκτρικού φαινομένου αντιμετωπίστηκαν με την κατανόηση των ιδιοτήτων του φωτονίου.

Εφαρμογή φωτοηλεκτρικού φαινομένου

Οι ερωτήσεις σχετικά με τους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου αποδείχθηκαν ευεργετικές για την εξερεύνηση διαφόρων εμπορικών χρήσεων του εφέ.

Το φωτοκύτταρο, οι φωτοαγώγιμες συσκευές και τα ηλιακά κύτταρα είναι γνωστές εφαρμογές του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Ένα φωτοκύτταρο αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια. Μια φωτοευαίσθητη κάθοδος εκπέμπει ηλεκτρόνια όταν εκτίθεται στο φως, ενώ μια άνοδος διατηρεί μια θετική τάση. Όταν εκπέμπουν φως στην κάθοδο, τα ηλεκτρόνια έλκονται από την άνοδο. Τα ηλεκτρόνια στον σωλήνα ρέουν από την κάθοδο στην άνοδο - το ρεύμα σταματά όταν διακόπτεται μια δέσμη φωτός που προσπίπτει στην κάθοδο. Οι κάμερες χρησιμοποιούν επίσης φωτοκύτταρα ως μετρητές έκθεσης.

Το φωτοαγώγιμο φαινόμενο σχετίζεται στενά με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο αυξάνει την ηλεκτρική αγωγιμότητα ορισμένων μη μεταλλικών υλικών όπως το θειούχο κάδμιο όταν εκτίθεται στο φως. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να είναι αρκετά σημαντικό, έτσι ώστε ένα ελάχιστο ρεύμα σε μια συσκευή να γίνεται ξαφνικά αρκετά σημαντικό όταν εκτίθεται στο ηλιακό φως.

Τα ηλιακά κύτταρα αποτελούνται από ειδικό πυρίτιο που λειτουργεί ως μπαταρία όταν εκτίθεται στο φως. Ένα μόνο ηλιακό κύτταρο έχει την ικανότητα να παράγει 0,6 βολτ. Για να επιτευχθεί υψηλότερη τάση, οι ηλιακές κυψέλες ενώνονται σε πάνελ. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας χρησιμοποιώντας την ηλιακή κυψέλη μπορεί να βοηθήσει στην παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε απομακρυσμένες τοποθεσίες. Η κυβέρνηση έχει ήδη κάνει σχέδια για να αυξήσει τη χρήση του.

Συμπέρασμα

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο υπήρξε βασικός πυλώνας της ανάπτυξης της σύγχρονης φυσικής. Επιπλέον, οι νόμοι του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έχουν παίξει καθοριστικό ρόλο στην εφεύρεση πολλών πολύτιμων και χρήσιμων προϊόντων. Για παράδειγμα, η φωτοηλεκτρική εκπομπή έχει παίξει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη προϊόντων για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Αποδείχθηκε επίσης ένα επαναστατικό πείραμα για τη φωτογραφία. Το άρθρο εξέτασε τους νόμους των φωτοηλεκτρικών φαινομένων, τη λεπτομερή ιστορία προέλευσής του και τις πειραματικές παρατηρήσεις. Οι εφαρμογές που αναφέρονται παραπάνω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου είναι ένα από τα βασικά σημεία που πρέπει να γνωρίζουν οι μαθητές. Βεβαιωθείτε ότι διαβάσατε προσεκτικά τις γνώσεις που κοινοποιήθηκαν παραπάνω στο άρθρο.